張益波，金敬明，汪科迪

(德馬格塑料機(jī)械寧波有限公司，浙江 寧波 315800)

0 背景

注塑成型是一種極為有效、極少浪費材料的塑料加工方法。此加工方法能加工外形復(fù)雜、尺寸精確或帶嵌件的制品，生產(chǎn)效率高，易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。注塑成型主要的生產(chǎn)設(shè)備為注塑機(jī)，注塑機(jī)完成一個的注塑成型周期大致依次可分為以下幾個步驟：合模、塑化、注塑、保壓、冷卻、開模、頂出，如此往復(fù)。

（1）模具冷卻對注塑成型循環(huán)周期的影響

物理的冷卻時間開始于注射開始，結(jié)束于模具打開。機(jī)器的冷卻時間開始于保壓階段之后，結(jié)束于模具打開。在注塑成型的每個循環(huán)周期內(nèi)，冷卻時間往往占整個周期的1/2以上。而注塑成型循環(huán)周期的長短直接影響生產(chǎn)效率和設(shè)備利用率。因此，要想提高效率，首先考慮的應(yīng)該是占整個周期大比例的冷卻時間。研究表明，良好的冷卻系統(tǒng)設(shè)計和控制可降低大約20%的冷卻時間。

（2）模具冷卻對注塑成型質(zhì)量的影響

模具冷卻除了對成型循環(huán)周期的影響，更重要的是對注塑制品品質(zhì)的影響。對塑料制品的評價主要有三個方面，第一是外觀質(zhì)量，包括完整性、顏色、光澤等；第二是尺寸和相對位置間的準(zhǔn)確性；第三是與用途相應(yīng)的物理性能、化學(xué)性能、電性能等。而這三個性能，與成型過程中的模具溫度都有直接的關(guān)系。

a.表面質(zhì)量。過低的模具溫度會使制品輪廓不清晰并產(chǎn)生明顯的融合紋，導(dǎo)致制品表面粗糙度提高。

b.尺寸精度。保持模具溫度的恒定，能減少制品成型收縮的波動，提高制品尺寸精度的穩(wěn)定性。

c.力學(xué)性能。如果冷卻系統(tǒng)溫度設(shè)置合理，那么其內(nèi)部的溫度場就會得到有效的改善，在降低塑件內(nèi)應(yīng)力的同時，力學(xué)性能得以增強。

1 注塑機(jī)模具冷卻的現(xiàn)狀

可以看出模具冷卻在注塑成型加工中占有至關(guān)重要的位置，注塑機(jī)作為成型生產(chǎn)的核心設(shè)備，應(yīng)該對這個重要的環(huán)節(jié)做詳細(xì)的過程監(jiān)控。但是與成型加工過程的其他參數(shù)相比，模具冷卻的過程監(jiān)控往往被忽視。目前，注塑機(jī)生產(chǎn)過程參數(shù)（噁如：注射速度、保壓壓噁、料筒溫度等）都有精準(zhǔn)的檢測、及時的反饋和過程數(shù)據(jù)的存儲，然而模具冷卻的過程還處在無監(jiān)控或人為監(jiān)控狀態(tài)。

目前，多數(shù)注塑機(jī)裝備的模具冷卻一般有兩種方式。

（1）在注塑機(jī)的模板上安裝分水塊，如圖1所示。

圖1 分水塊

（2）在注塑機(jī)外圍的安裝機(jī)械式的水流調(diào)節(jié)器，如圖2所示。

圖2 水流調(diào)節(jié)器

1.1 在注塑機(jī)的模板上安裝的分水塊

注塑機(jī)模板邊上的分水塊優(yōu)點在于管路布置簡潔，只需將模具冷卻的總進(jìn)水和總回水管接到分水塊上，然后由分水塊的各個支路球閥與模具冷卻水接口相連。這種方式支路管路短，壓力損失小。

但是這種方式的水流量和溫度都沒法測量，無法知曉模具冷卻水是否正常接入、水路是否堵塞等。 而且在生產(chǎn)過程中如果出現(xiàn)模溫機(jī)故障或者供水管路上的閥門被誤操作等情況，注塑機(jī)都無法感知。另外隨著長時間的生產(chǎn)，模具內(nèi)的冷卻管路會產(chǎn)生水垢、水銹等，不僅影響水流量，也形成一種隔熱層，影響換熱效率。此時，就會造成制品有缺陷，而且可能已經(jīng)生產(chǎn)了不少次品，造成了損失。

1.2 在注塑機(jī)外圍安裝機(jī)械式的水流調(diào)節(jié)器

水流調(diào)節(jié)器集成了浮子式的流量指示和指針式的溫度表。模具冷卻的總進(jìn)水和總回水連接到水流調(diào)節(jié)器上，水流調(diào)節(jié)器的每個支路都帶有流量指示和溫度表。有了流量和溫度指示可以有效避免模具安裝初期的水路錯誤，可以及時發(fā)現(xiàn)成型生產(chǎn)過程中的水路故障。

但是由于這種水流調(diào)節(jié)器的儀表是機(jī)械的，為了設(shè)備管理員查看方便，所以這種水流調(diào)節(jié)器只能安裝在機(jī)器的四周人容易看到的地方。水流調(diào)節(jié)器的支路越多，其所需的安裝空間就越大。實際上隨著模具設(shè)計越來越精細(xì)，模具上的冷卻支路正在不斷的增多。水流調(diào)節(jié)器需要較長的支路管道，將在注塑機(jī)外圍的支路進(jìn)、出水口連接到模具上。特別是到動模板側(cè)的模具上，連接的長度會非常長。由于注塑機(jī)動模板是運動的，連接到動模板上的支路管路須使用拖鏈，這樣才能保證支路水管能往復(fù)折彎運動。如果支路水管數(shù)量較多，相應(yīng)使用的拖鏈也要不斷加大。所以，不管是水流分配器本身的安裝，還是支路管路的布置，都給設(shè)計和安裝人員帶來了巨大的麻煩。

水流分配器的流量指示和溫度表是機(jī)械式的，存在讀數(shù)誤差。溫度和流量只有在有較大變化的時候才能被察覺。而且只能靠人工讀取和記錄，人工讀取的頻次不好把握。

2 獨立的電子溫度流量檢測儀

對品質(zhì)要求高的塑料制品，特別用于汽車功能件的塑料制品，上述兩種模具冷卻的配置已經(jīng)不能滿足其對品質(zhì)控制的要求。為滿足高品質(zhì)的質(zhì)量要求，生產(chǎn)廠商開始在注塑機(jī)旁裝備獨立的電子溫度流量檢測儀（如圖3），這種獨立的電子溫度流量檢測儀作為注塑生產(chǎn)的輔助生產(chǎn)設(shè)備，安裝在注塑機(jī)旁。模具冷卻水的總進(jìn)、出水管先接到此設(shè)備上，再由此設(shè)備分成各個支路與模具相連。這種獨立的電子溫度流量檢測儀一般由控制器、操作屏和安裝在每個支路上的溫度、流量等傳感器組成。這種電子溫度流量檢測儀可將模具冷卻水的狀態(tài)數(shù)據(jù)化，并顯示到自帶的操作屏上。操作屏上可設(shè)置冷卻水狀態(tài)的范圍值，超出設(shè)定的范圍值會立刻報警，并將警報狀態(tài)通過開關(guān)量的形式告知注塑機(jī)，讓注塑機(jī)立馬做停機(jī)動作，以減少不良品產(chǎn)生。這種設(shè)備還帶有數(shù)據(jù)存儲功能，可將歷史的冷卻數(shù)據(jù)存儲。

圖3 獨立的電子溫度流量檢測儀

總體上，獨立的電子溫度流量檢測儀是對機(jī)械式的水流調(diào)節(jié)器的電子化升級。解決了讀數(shù)不精準(zhǔn)、需人工巡視等問題。但是它也遺留了一些問題，支路水管的安裝問題、溫度測量點與模具距離遠(yuǎn)的問題。而且，電子溫度流量檢測儀，作為可獨立運行的設(shè)備必須有自己的操作屏和控制器及防護(hù)鈑金，所以價格較高，初期投入較大。

3 注塑機(jī)集成的模具冷卻控制系統(tǒng)

針對獨立的電子溫度流量檢測儀遺留的問題，已經(jīng)有注塑機(jī)生產(chǎn)商開始設(shè)計和推廣注塑機(jī)集成的模具冷卻控制系統(tǒng)。如圖4所示。

圖4 注塑機(jī)集成的模具冷卻控制系統(tǒng)

從安裝空間角度講。注塑機(jī)集成的模具冷卻控制系統(tǒng)在注塑機(jī)設(shè)計時，就已經(jīng)充分考慮了安裝空間，將傳感器和匯流水塊安裝在距離模具最近的位置，這樣只需較短的支路水管就可以實現(xiàn)連接。模具冷卻水匯流后只需在注塑機(jī)機(jī)身上布置總進(jìn)水管和總回水管即可，大大減少了水管排布所需的空間。注塑機(jī)整體設(shè)計也可以更加緊湊。而且有些對水管有保溫或者防冷凝水的要求，實現(xiàn)起來也更加容易。

從成本角度講。注塑機(jī)已經(jīng)是一套完整系統(tǒng)，當(dāng)注塑機(jī)集成模具冷卻控制系統(tǒng)時，原有的注塑機(jī)硬件完全可以共用。如主機(jī)的屏幕、控制器、以及防護(hù)鈑金等。冷卻控制系統(tǒng)省掉了專用的操作屏，控制器和一些防護(hù)后，可大幅降低成本。另外操作統(tǒng)一到注塑機(jī)屏幕后，用戶的操作也會更加便捷。

注塑機(jī)對冷卻系統(tǒng)的傳感器直接采集，可以得到更加直接，更加準(zhǔn)確的模具冷卻數(shù)據(jù)。注塑機(jī)得到數(shù)據(jù)后可由此更多的干預(yù)動作。如設(shè)置多級的預(yù)警和報警，設(shè)置多級的干預(yù)動作等。隨著集成開發(fā)的深入，模具冷卻系統(tǒng)可以和模具熱流道加熱系統(tǒng)聯(lián)動，以達(dá)到更好的控制模具內(nèi)溫度的目的。

隨著工業(yè)4.0和注塑機(jī)數(shù)字化的發(fā)展，注塑過程的重要數(shù)據(jù)包括冷卻環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)被要求存儲。注塑機(jī)集成的模具冷卻系統(tǒng)可將模具冷卻環(huán)節(jié)的過程數(shù)據(jù)與注塑機(jī)的成型過程數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲，統(tǒng)一存儲的數(shù)據(jù)更加方便管理和追溯。如果配置的是電子溫度流量檢測儀，它雖然也有數(shù)據(jù)存儲的功能，但是其存儲的格式，傳輸?shù)姆绞蕉伎赡芎妥⑺軝C(jī)的數(shù)據(jù)不同，這就給后面數(shù)據(jù)的管理使用帶來了許多不便。

4 總結(jié)

表格1中比較了四種在注塑機(jī)上配置的模具冷卻裝置，注塑機(jī)集成的模具冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點一目了然。隨著模具技術(shù)的發(fā)展，模具冷卻的重要性正在被不斷的提高。隨著工業(yè)4.0的發(fā)展，無人工廠和熄燈工廠的概念不斷深入，注塑過程的數(shù)字化是其中必需條件。注塑機(jī)集成的模具冷卻系統(tǒng)將會是未來高端注塑機(jī)的必要配置。

表1 四種模具冷卻裝置的比較